FTIR和XRD在断层构造煤结构分析中的应用

李宗翔， 张明乾， 杨志斌， 丁 聪， 刘 宇， 黄 戈

1. 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院， 辽宁 阜新 123000 2. 辽宁工程技术大学安全科学与工程研究院， 辽宁 阜新 123000

引 言

煤炭作为一种储量丰富的化石能源， 在全球化工、 燃料和能源领域中发挥着重要作用[1-2]。 煤的微观结构特征一直是煤化学研究的热点[3-4]。 众所周知， 煤炭是由官能团与长度不同的共价、 非共价键连接而成的复杂大分子网络。 受成煤环境和成煤物质差异的影响， 煤的微观结构特征存在差异， 而这些差异往往影响煤的生烃能力和自燃倾向性等[5-6]， 如内蒙古红庆梁煤矿11301#工作面在过J10断层生产过程中， 出现强烈的自燃危险[7]。 深入研究煤炭的微观结构特征对预防煤炭自燃灾害， 保障煤炭安全生产、 储运工作具有重大意义。 傅里叶变换红外光谱(FTIR)作为一种高效准确的研究手段， 被广泛应用于煤化学结构特征参数的分析[8]。 贾廷贵[9]采用FTIR与分峰拟合， 定量分析了5种不同变质程度煤样的官能团分布特征和结构参数， 获得了煤的化学结构特征与变质程度的演化规律； Zhang[10]基于FTIR和GC/MS， 建立了煤分子模型； Shi[11]运用FTIR， 研究了不同浓度新型抑尘剂处理后实验煤样官能团的变化。 Jiang[12]依据XRD检测得到了， 中高煤阶煤的分子结构参数。

本研究以红庆梁矿和段王矿原生煤及断层构造煤为研究对象， 采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)， 对比分析原生煤与断层构造煤中官能团含量差异， 计算出可以表征煤化学结构特征的关键参数； 通过XRD检测， 对原生煤及断层构造煤进行物相分析， 并获取煤的微晶构造参数。 深入了解断层构造对煤炭基本结构特征产生的影响。

1 实验部分

1.1 样本制备与基础数据

选用内蒙古红庆梁矿(不粘煤)11302工作面原生煤及断层构造煤、 山西段王矿(贫煤)15011工作面原生煤及断层构造煤， 分别设定四种煤样的名称为HQL-1、 HQL-2、 DW-1和DW-2， 原生煤及断层构造煤样的工业分析结果见表1。

表1 煤样的工业分析结果Table 1 Results of industrial analysis for coal samples

1.2 FTIR测定

为探究断层构造煤和原生煤中的活性基团含量， 用德国TENSOR27型傅氏转换红外光谱分析仪进行FTIR测试。 将检测煤样研磨至200目以下， 真空干燥后与KBr按照1∶180的比例混合充分研磨， 并压制成片。 在4 000～400 cm-1的光谱范围内记录煤的FTIR光谱， 使用peakfit对煤样的FTIR图谱进行分峰拟合， 获得煤中各主要官能团的吸收峰位置、 峰面积以及官能团含量。 将分峰拟合结果与下列公式相结合， 可计算出煤样的红外芳碳率fa、 芳环的缩合度DOC、 芳烃链长度CH2/CH3和煤的芳香度I[13]。

煤样的红外芳碳率的计算公式如式(1)

(1)

其中

(2)

(3)

式中： Cal为煤中的脂肪碳含量， %； C为煤中的总碳量， %； Hal为煤中的脂肪氢含量， H为煤中的总氢量， %； Har为煤样中芳香型氢物质的相对含量； Cal煤中脂肪烃内的碳原含量， %； Hal/Cal通常取经验值1.8；A3 000～2 800和A900～700分别为拟合结果中脂肪族区和芳环取代区的峰面积。

(4)

CH2/CH3值可表示煤样的芳烃链长度， 其数值越大表征煤的脂肪链越长。 计算公式如式(5)

(5)

芳香度I可以表示煤中芳香族相对与脂肪族的丰富度。 计算公式如式(6)

(6)

1.3 XRD检测

为研究煤的物相特征和微晶结构特征， 获得煤的微晶结构参数， 选用日本理学Rigaku Ulitma Ⅳ型X射线粉末衍射仪进行断层构造煤和原生煤的X射线衍射分析。 衍射角2θ范围在10°～80°， 煤样研磨至200目以下。 采用Jade6.0软件分析煤样中的主要矿物质种类， 通过下列公式可获得包括晶间间距d002、 微晶堆积高度Lc、 煤的芳香度fa-XRD和晶体堆叠平均层数Nave等煤的结构参数[14]。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：λ为X射线的波长， 0.154 405 nm；θ002为002峰的中心位置， °；B002为002峰的半峰宽；A002和Aγ分别为002峰和γ峰的峰面积；I002和Iγ分别为002峰和γ峰的峰值强度。

2 结果与讨论

2.1 煤样FTIR谱图

按吸收峰分布可将煤样的FTIR谱图分为四个波段： 芳环取代区(波数为900～700 cm-1)、 含氧官能团区(波数为1 800～1 000 cm-1)、 脂肪族区(波数为3 000～2 800 cm-1)和氢键区(波数为3 650～3 000 cm-1)。 经基线校正后的测试煤样FTIR谱图如图1所示。

图1 煤样FTIR谱Fig.1 FTIR spectra of coal samples

2.2 煤表面官能团分析

使用peakfit对四种煤样FTIR图谱的波段间进行分峰拟合， 获得煤中各主要官能团的吸收峰位置、 峰面以及官能团含量， 结果见表2。

表2 FTIR光谱中不同官能团波段分布Table 2 Band assignments for different functional groups in FTIR spectra

图2为煤的芳环取代区的分峰拟合结果。 HQL-1， HQL-2， DW-1和DW-2煤样中的苯环五取代占比分别为8.93%， 7.99%， 35.54%和34.41%； 煤中苯环四取代占比分别为27.83%， 43.40%， 8.21%和16.46%； 苯环三取代占比分别为60.07%， 42.71%， 21.29%和13.68%； 苯环二取代占比分别为3.17%和5.90%， 34.96%和35.46%。 受到断层构造的影响， 断层构造煤中的苯环三取代和苯环五取代的含量明显低于原生煤； 断层构造煤中的苯环二取代和苯环四取代的含量明显高于原生煤。

图2 不同样品的芳香结构红外光谱分峰拟合Fig.2 Curve-fitting FTIR spectra of aromatic structure for different samples

图3 不同样品的含氧官能团红外光谱分峰拟合Fig.3 Curve-fitting FTIR spectra of oxygen-containing functional group for different samples

图4为煤样中脂肪族区的分峰拟合结果。 受到断层构造的影响， HQL-1和HQL-2煤—CH2对称伸缩振动占比分别为21.70%和20.56%； DW-1和DW-2煤中—CH2对称伸缩振动占比分别为19.26%和7.78%； HQL-1和HQL-2煤—CH3对称伸缩振动占比分别为7.69%和8.37%； DW-1和DW-2煤中—CH3对称伸缩振动占比分别为9.71%和22.73%； HQL-1和HQL-2煤—CH伸缩振动占比分别为14.14%和15.49%； DW-1和DW-2煤中—CH伸缩振动占比分别为16.10%和19.10%； HQL-1和HQL-2煤—CH2不对称伸缩振动占比分别为41.24%和43.73%； DW-1和DW-2煤中—CH2不对称伸缩振动占比分别为39.12%和35.25%； HQL-1和HQL-2煤—CH3不对称伸缩振动占比分别为15.24%和17.16%； DW-1和DW-2煤中—CH3不对称伸缩振动占比分别为15.80%和15.15%。

图4 不同样品的脂肪结构红外光谱分峰拟合Fig.4 Curve-fitting FTIR spectra of aliphatic structure for different samples

图5为煤样氢键区的分峰拟合结果。 HQL-1和HQL-2煤中芳环—OH占比分别为2.85%和4.72%； DW-1和DW-2煤中芳环—OH占比分别为3.16%和8.31%； HQL-1和HQL-2煤中OH—O占比分别为11.90%和11.63%； DW-1和DW-2煤中OH—O占比分别为9.80%和7.42%； HQL-1和HQL-2煤中OH—OH占比分别为68.94%和69.40%； DW-1和DW-2煤中OH—OH占比分别为52.50%和44.28%； HQL-1和HQL-2煤中OH—π占比分别为10.34%和9.15%； DW-1和DW-2煤中OH—π占比分别为30.49%和29.31%； HQL-1和HQL-2煤中游离—OH占比分别为5.97%和5.09%； DW-1和DW-2煤中游离—OH占比分别为4.05%和10.68%。

图5 不同煤样羟基红外光谱分峰拟合Fig.5 Curve-fitting FTIR spectra of hydroxyl for different coal samples

2.3 FTIR光谱的结构参数

根据四种实验煤样的分峰拟合， 获得各主要官能团的峰面积， 具体结果见表3。 将表3数据与式(1)—式(6)相结合获取煤样FTIR光谱的结构参数， 见表4。

表3 煤中主要官能团的峰面积分布Table 3 Peak area distribution of main functionam groups in coal

表4 FTIR分析结构参数Table 4 Structure parameters from FTIR calculation

由表4可知， 煤样的芳碳率fa值与构造作用呈正相关， 红庆梁断层构造煤样的fa值是原生煤的1.01倍； 段王断层构造煤样的fa值是原生煤的1.03倍。 说明断层构造作用导致煤中芳香碳的含量增加， 增强了煤的芳香性。 红庆梁断层构造煤样的DOC值是原生煤的1.01倍； 段王断层构造煤样的DOC值是原生煤的3.7倍， 断层构造会增加煤的缩聚程度。 红庆梁断层构造煤样的CH2/CH3值是原生煤样的0.93倍； 段王断层构造煤样的CH2/CH3值是原生煤的0.94倍， 说明断层构造作用降低了煤的脂肪侧链长度， 减少了亚甲基的含量， 增大了甲基含量， 增强了煤的支链化程度。 红庆梁断层构造煤样的芳香度I是原生煤样的1.01倍； 段王断层构造煤样的芳香度I是原生煤的1.34倍， 说明断层构造作用增加煤中芳香结构的含量。

2.4 XRD光谱和物相分析

煤样的XRD光谱如图6所示， 可以发现煤中主要的矿物包括石英、 高岭石和方解石。 整体来说， 原生煤和断层构造煤具有相近的矿物组分， 说明断层构造作用不会使煤中矿物组分有明显的改变。 2θ=26°附近存在特征(002)带， 表明存在少量的层状石墨结构。 (002)带的不对称性表明在2θ=20°附近存在一个γ带， (002)带的位置反映了芳香环层的堆积间距，γ带的位置反映了饱和结构的堆积距离[15]。 然而在2θ=45°附近并没有清楚地显示(100)带， 这可能归因于高水平的背景， 表明煤中石墨结构的基面生长水平较低。

图6 煤样的XRD谱图Fig.6 XRD spectra of coal samples

2.5 XRD微晶构造参数

煤样的XRD图谱中2θ=16°～32°的002峰分峰拟合结果如图7所示。 XRD谱图满足Bragges和Scherrer公式， 依据式(7)—式(10)计算出煤样的微晶结构参数， 如表5所示。

图7 煤样的X射线衍射002峰分峰拟合结果Fig.7 XRD curve fitting results for 002 peak of coal samples

表5 煤样的微晶结构参数结果Table 5 Microcrystalline structure parameters of coal samples

如表5所示， 煤内部结构中两个芳香层片的间距可以用d002表征， 红庆梁原生煤和断层构造煤样的晶间间距d002值分别为0.348和0.354 nm； 段王原生煤样和断层构造煤样的晶间间距d002值分别为0.353和0.334 9 nm， 变化范围很小。Lc可用于表征煤结构有序化程度， 红庆梁原生煤样和断层构造煤样的Lc值分别为1.630和1.474 nm； 段王原生煤样和断层构造煤样的Lc值分别为2.663和2.404 nm， 断层构造作用减小煤的芳香层片堆砌度。 红庆梁原生煤和断层构造煤样的芳香度fa-XRD值分别为0.597和0.682； 段王原生煤样和断层构造煤样的芳香度fa-XRD值分别为0.773和0.825， 断层构造作用增大煤的芳香度， 这一变化规律与FTIR测试结果一致， 断层构造促进非芳香化合物向芳香化合物的转化。 晶体堆叠平均层数Nave表征微晶结构单元堆叠程度， 红庆梁原生煤样和断层煤样的Nave值分别为5.683和5.169； 段王原生煤样和断层构造煤样的Nave值分别为8.541和7.888， 断层构造作用减小了煤微晶结构单元的堆叠层数。 由文献[13]研究结果可知， 煤的芳香性越大， 煤的燃烧反应性越弱。 因此， 从煤自身的化学结构和微晶构造特征可知断层构造煤的燃烧反应性弱于原生煤。

应用FTIR和XRD从煤化学结构和微晶结构角度出发， 对红庆梁矿和段王矿的原生煤及断层构造煤进行分析， 结果表明断层构造煤的芳香度、 成熟度更高， 断层构造煤的燃烧反应性弱于原生煤。 煤矿生产过程中， 断层构造煤往往表现出较强的自燃危险性。 影响煤自燃的因素除煤炭自身的化学结构和微晶结构之外， 还包括了水分、 粒度、 孔隙结构、 地质赋存条件、 开采方法和通风管理条件等因素。 因此， 在接下来的研究工作中， 还将采用其他调查手段研究上述诸因素对煤自燃危险性的影响。

3 结 论

(2)由煤样FTIR光谱的结构参数可知， 断层构造作用影响煤的芳香体系。 红庆梁断层构造煤样、 段王断层构造煤样的fa值分别是原生煤的1.01倍和1.03倍， 断层构造作用增强煤的芳香性； 红庆梁断层构造煤样、 段王断层构造煤样的DOC值分别是原生煤的1.01倍和3.7倍， 断层构造会增加煤的缩聚程度； 红庆梁断层构造煤样、 段王断层构造煤样的CH2/CH3值分别是原生煤样的0.933倍和0.94倍。 受到断层构造作用的影响， 煤中脂肪侧链的长度和亚甲基含量均减小， 煤的支链化程度增强； 红庆梁断层构造煤样、 段王断层构造煤样的芳香度I分别是原生煤样的1.01倍和1.34倍， 断层构造作用会增大煤中芳香结构含量。

(3)分析原生煤和断层构造煤的XRD谱图曲线， 原生煤和断层构造煤具有相近的矿物组分， 断层构造作用未对煤中矿物组分的类型产生明显的改变； 红庆梁断层构造煤、 段王断层构造煤的Lc值分别是原生煤的0.904 5倍和0.902 7倍， 断层构造作用减小煤的芳香层片堆砌度； 红庆梁断层构造煤、 段王断层构造煤的fa-XRD值分别是原生煤的1.143 9倍和1.066 9倍， 断层构造作用增大煤的芳香度， 促进非芳香化合物向芳香化合物的转化； 红庆梁断层构造煤、 段王断层构造煤的Nave值分别是原生煤的0.909 45倍和0.923 56倍， 断层构造作用减小了煤微晶结构单元的堆叠层数， 断层构造煤的燃烧反应性弱于原生煤。